一种基于节点重要性和空间相关性的无线传感器网络MAC协议.doc
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1、一种基于节点重要性和空间相关性的无线传感器网络MAC协议doi:10.3969/j.issn.1001-3695.2010.02.072 Node importance and spatial correlation-based MAC in WSN LIU Fang-cai, ZHOU Si-wang, LI Lan (College of Software, Hunan University, Changsha 410082, China) Abstract:This paper proposed a new node importance and spatial correlation-
2、based MAC protocol(NISC-MAC), which defined the smaller nodes interrelated, i.e., the nodes with great data difference, as the important nodes, and attributed it high priority. Those high priority nodes could send data with highly probability and backoff time shortly so that it was given highly prio
3、rity in the competition to channel. And they could choose out the important nodes as the representative nodes, made sure those vital data send successfully to the sink node. This would ensure the overall effectiveness of data,made the data received reflect the real physical phenomenon. NISC-MAC is n
4、ot onlyremoval of spatial correlation of data, but also to ensure the overall effectiveness of data; the simulation experiment indicates the protocol ensure the overall effectiveness of data under low energy consumption and transmission delay. Key words:wireless sensor networks(WSN); medium access c
5、ontrol protocol; spatial correlation; node importance 0 引言 在无线传感器网络中,一般会通过部署相对密集的节点来保证区域的覆盖和节点的冗余度,以确保收集传感数据、可靠的通信和一定的网络生命周期。当节点越密集,监测到同一事件的节点数越多,各节点收集到的信息就有越高的相关度,空间相关的信息导致的信道竞争就越多。而网络内的通信资源使用量很有限。无线传感器节点能量的消耗由三部分组成,即数据的传感采集、处理和传输。在这三部分能量消耗中,大部分能量消耗在数据传输的过程中,所以在尽量保证应用需求的情况下,在MAC层减少工作节点的数量,将大大的减少数据的
6、发送量,节省很多传输能量。通过选择代表性节点发送数据,去除了数据的空间相关性,可以大量地减少数据的发送,从而大大节省网络能量。最近有研究表明在大型的传感器网络中,失真度、时空相关性和能量之间有一定关系,WSN中数据有一定的空间相关性并且可以构建出相关性模型1。 WSN中,单信道条件下,所有传感器节点共享一个无线信道,信道资源是非常有限的,因而需要一个有效的媒体访问控制(medium access control)协议来协调各节点对信道的访问。没有MAC协议的协调,多个节点就可能同时在无线信道上传送数据,从而导致碰撞的发生。而普通的MAC协议一般不适合于无线传感器网络,适合无线传感器网络中的MA
7、C协议近年来国内外有了很多研究,提出了多种适用于WSN的MAC协议2,这些协议大致可以分为两类3,即基于竞争模式(con-tention-based)46和基于调度模式(schedule-based)7,8。由于本文采用的是基于竞争模式,下面仅讨论两种典型的基于竞争模式的MAC协议。 Sift-MAC4协议是针对基于事件驱动的基于竞争的无线传感器网络MAC协议, 它的核心思想是采用CW值固定的窗口,节点不是从发送窗口选择发送时槽,而是在不同的时槽中选择发送数据的概率。节点在不同时槽选择不同的发送概率。S-MAC5是一种最典型的基于竞争模式的协议,它通过协商的一致性睡眠调度机制形成虚拟簇,通过控
8、制节点尽可能处于睡眠状态来降低能量的消耗。同时,国内外学者对WSN中的空间相关性在MAC协议中的应用问题也开展了较为广泛深入的研究1,4,9,10,提出了多种方案来选择一部分节点发送其传感数据,以此减少或消除各节点在MAC层的信道争用。 文献1中CC-MAC协议将整个网络划分为若干子区域,称为相关性区域,在每个相关性区域中同时仅选择一个节点发送数据,以降低或消除信道争用。文献1是在确保数据一定失真度(DE(M)的前提下共选择M个代表节点,在竞争信道的初始阶段,哪个节点先竞争到信道,就被选为代表性节点,并通过相关半径确定相关区域。在这个相关区域中,只有代表性节点发送数据,其他的节点不发送。文献1
9、的研究成果是本文工作的基础。但文献1在选取代表节点时并没有考虑各个代表节点的重要性,只是将先随机竞争到信道的节点作为代表节点。而在实际的监测中有些节点是十分重要的,如在监测温度时,若某个区域只有一个节点是向阳的,其他节点都是向阴的,那么这个向阳的节点就显得十分重要,若它没有被选为代表性节点,没有将数据发送到sink节点,则对整个监测结果的有效性产生很大影响。所以像这种重要性节点必须被优先选为代表性节点。本文认为在选择代表性节点时,必须考虑节点的重要性,将数据差异大的,即重要性的节点优先竞争到信道,优先选择为代表性节点,发送数据到sink节点,从而保证数据的整体有效性。基于此,本文提出了一种新的
10、基于节点重要性和空间相关性的MAC协议(NISC-MAC),即在去除空间相关性的同时,将重要性的节点选为代表节点。这就是本文要完成的主要工作。 1 问题的描述 1.1 问题的提出 假设有一个随机部署的稠密无线传感器网络应用,它监测森林里某个区域的温度。在这个区域中随机部署50个节点,其拓扑图如图1所示。 在图1中假设空心节点n0、n10、n13、n41、n44是向阳的,而其他节点都向阴。针对这样一个网络应用,认为这五个节点是很重要的,称之为重要性节点。它们对整个监测数据的影响比较大,应该被选择为代表性节点,让其能优先竞争到信道,发送数据到sink节点。这样才能更好地确保数据整体的有效性,使接收
11、到的数据能更好地反映整个监测状况。本文将在后面提出一种方案来实现这个思想,确保图1中的这五个重要性节点被选为代表性节点。 1.2 节点重要性的定义 假设有一个随机部署的稠密无线传感器网络应用,它监测某个区域的物理特性。节点之间采集到的数据有一定的相关性,通过计算出两个数据流的欧氏距离来表示两个数据流之间的相关性,欧氏距离的大小代表了两个数据流之间的相关性;欧氏距离大的相关性小。而节点采集到的数据与相关区域的其他节点的差异大,则相应的欧氏距离也大。这些差异大的节点,被认为对整个数据的影响会很大,相对而言更重要些。为了描述这些节点的重要性,引入节点重要性的定义。将网络中节点i的重要性K定义为 K(
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